KR20030042153A - MOS Transistor With T-Shaped Gate Electrode And Method Of Fabricating The Same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체 장치 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 특히 T자형 게이트 전극을 갖는 모스 트랜지스터 및 그 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a MOS transistor having a T-shaped gate electrode and a manufacturing method thereof.
전자 산업의 발전에 따라, 반도체 장치는 고집적화 및 고속화된 특성을 갖는 것이 더욱 요구된다. 이러한 요구들을 만족시키기 위해, 다양한 구조를 갖는 모스 트랜지스터(MOS transistor)들이 반도체 장치에서 사용된다. 하지만, 종래 기술에 따른 모스 트랜지스터를 포함하는 반도체 장치들은 상기한 조건들을 모두 충족시키지 못하는 문제점을 갖는다.With the development of the electronics industry, semiconductor devices are further required to have high integration and high speed characteristics. In order to satisfy these requirements, MOS transistors having various structures are used in semiconductor devices. However, semiconductor devices including MOS transistors according to the prior art have a problem that does not satisfy all of the above conditions.
도 1은 일반적인 모스 트랜지스터를 나타내는 공정 단면도이다.1 is a process sectional view showing a general MOS transistor.
도 1을 참조하면, 반도체기판(10) 상에는 게이트 산화막(12) 및 게이트 패턴(14)이 차례로 배치된다. 상기 게이트 패턴(14)의 양쪽 측벽에는 게이트 스페이서(16)가 배치된다. 상기 게이트 스페이서(16) 옆쪽의 반도체기판(10)에는 고농도 불순물 영역(20)이 배치된다.Referring to FIG. 1, the gate oxide film 12 and the gate pattern 14 are sequentially disposed on the semiconductor substrate 10. Gate spacers 16 are disposed on both sidewalls of the gate pattern 14. A high concentration impurity region 20 is disposed in the semiconductor substrate 10 next to the gate spacer 16.
그런데, 반도체 장치의 고집적화에 따른 상기 게이트 패턴(14)의 미세화로 인해, 상기 고농도 불순물 영역(20) 사이의 간격, 즉 소오스/드레인 사이의 간격은 더욱 줄어들었다. 그 결과로서 발생하는 쇼트 채널 현상(short channel effect)은 반도체 장치의 특성을 악화시키는 주된 원인이 되고 있다.However, due to the miniaturization of the gate pattern 14 due to the high integration of the semiconductor device, the gap between the high concentration impurity regions 20, that is, the gap between the source and the drain, is further reduced. The resulting short channel effect is a major cause of deterioration of the characteristics of the semiconductor device.
이러한 쇼트 채널 현상을 최소화하기 위해, 일반적으로 도시한 바와 같이, 상기 게이트 스페이서(16) 하부의 반도체기판(10)에 저농도 불순물 영역(18)을 형성하는 방법이 사용된다. 이렇게 구성되는 상기 고농도 불순물 영역(20) 및 상기 저농도 불순물 영역(18)의 구조는 일반적으로 LDD 구조(structure of lightly doped drain)라고 불린다.In order to minimize the short channel phenomenon, a method of forming a low concentration impurity region 18 in the semiconductor substrate 10 under the gate spacer 16 is generally used. The structure of the high concentration impurity region 20 and the low concentration impurity region 18 thus constructed is generally referred to as a structure of lightly doped drain (LDD).
하지만, 상기 게이트 패턴(14)의 미세화에 따른 쇼트 채널 현상이 비록 상기 LDD 구조에 의해 최소화될지라도, 상기 게이트 패턴(14)을 더욱 미세하게 형성하는 것은 기술적 한계로 인한 어려움을 갖는 동시에 반도체 장치의 특성을 악화시키는 또다른 문제점들을 유발한다. 즉, 상기 게이트 패턴(14)의 미세화는 게이트 라인(gate line)의 저항을 증가시키고, 상기 게이트 패턴(14)과 상기 고농도 불순물 영역(20) 사이의 정전용량(capacitance)을 증가시킨다. 따라서, 상기 게이트 패턴(14)의 미세화는 반도체 장치의 고속화를 어렵게하는 원인이 된다.However, although the short channel phenomenon due to the miniaturization of the gate pattern 14 is minimized by the LDD structure, forming the gate pattern 14 more minutely has difficulties due to technical limitations and at the same time, It causes other problems that worsen the properties. That is, the miniaturization of the gate pattern 14 increases the resistance of the gate line, and increases the capacitance between the gate pattern 14 and the high concentration impurity region 20. Therefore, miniaturization of the gate pattern 14 becomes a cause of making it difficult to speed up the semiconductor device.
도 2는 종래기술에 따른 모스 트랜지스터의 또다른 예로서, 최근 제안되고 있는 T자형 게이트 전극을 갖는 모스 트랜지스터(MOS transistor With T-shaped Gate Electrode)를 나타내는 공정 단면도이다. 이러한 T자형 게이트 전극을 갖는 모스 트랜지스터의 한 예는 T. Ghani 등이 발표한 논문에 개시된다.("100nm gate length high performance/low power CMOS transistor structure", IEDM Technical Digest, 1999, pp. 415-418)FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating another example of a MOS transistor according to the related art, which is a MOS transistor having a T-shaped gate electrode. An example of such a MOS transistor having a T-shaped gate electrode is disclosed in a paper published by T. Ghani et al. ("100 nm gate length high performance / low power CMOS transistor structure", IEDM Technical Digest, 1999, pp. 415-). 418)
도 2를 참조하면, 반도체기판(30) 상에는 게이트 산화막(32) 및 게이트 패턴(34)이 차례로 배치된다. 상기 게이트 패턴(34)은 언더컷 영역을 갖는 T자 형태인 것을 특징으로 한다. 상기 게이트 패턴(34)의 양쪽 측벽에는 상기 언더컷 영역을 채우는 게이트 스페이서(36)가 배치된다. 상기 게이트 스페이서(36) 옆쪽의 반도체기판(30)에는 고농도 불순물 영역(40)이 배치되고, 상기 게이트 스페이서(36)와 상기 언더컷 영역 하부의 반도체기판(40)에는 저농도 불순물 영역(38)이 형성된다.Referring to FIG. 2, the gate oxide layer 32 and the gate pattern 34 are sequentially disposed on the semiconductor substrate 30. The gate pattern 34 is characterized in that the T-shape having an undercut region. Gate spacers 36 may be disposed on both sidewalls of the gate pattern 34 to fill the undercut regions. A high concentration impurity region 40 is disposed in the semiconductor substrate 30 next to the gate spacer 36, and a low concentration impurity region 38 is formed in the semiconductor substrate 40 under the gate spacer 36 and the undercut region. do.
이러한 게이트 패턴(34)을 포함하는 모스 트랜지스터에서는, 도 1에서 설명한 트랜지스터의 구조에 비해, 상기 고농도 불순물 영역(40)과 상기 게이트 패턴(34) 사이의 거리가 대략 상기 언더컷 영역의 폭만큼 더 이격된다. 따라서, 상기 게이트 패턴(34)과 상기 고농도 불순물 영역(40) 사이의 정전 용량을 감소시킬 수 있다. 또한, 상기 언더컷 영역의 폭만큼 반도체 장치의 채널(channel)의 폭을줄일 수 있다.In the MOS transistor including the gate pattern 34, the distance between the heavily doped impurity region 40 and the gate pattern 34 is further separated by the width of the undercut region, compared to the structure of the transistor described in FIG. 1. do. Therefore, the capacitance between the gate pattern 34 and the heavily doped impurity region 40 can be reduced. In addition, the width of the channel of the semiconductor device may be reduced by the width of the undercut region.
하지만, 상기 언더컷 영역의 폭 만큼 상기 저농도 불순물 영역(38)의 폭이 증가하여, 트랜지스터의 소오스/드레인 저항(Rsd)을 증가시키는 문제점을 갖는다.However, the width of the low concentration impurity region 38 increases by the width of the undercut region, thereby increasing the source / drain resistance R sd of the transistor.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 소오스/드레인 저항을 줄일 수 있는 T자형 게이트 전극을 갖는 모스 트랜지스터의 제조 방법을 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a MOS transistor having a T-shaped gate electrode that can reduce the source / drain resistance.
본 발명이 이루고자 하는 또다른 기술적 과제는 소오스/드레인 저항을 줄일 수 있는 중농도 불순물 영역을 포함하는 모스 트랜지스터를 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a MOS transistor including a heavily doped impurity region capable of reducing source / drain resistance.
도 1 및 도 2는 종래 기술에 따른 모스 트랜지스터들을 설명하기 위한 공정 단면도들이다.1 and 2 are cross-sectional views illustrating MOS transistors according to the related art.
도 3 내지 도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 T자형 게이트 전극을 갖는 모스 트랜지스터의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도들이다.3 to 8 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a MOS transistor having a T-shaped gate electrode according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 T자형 게이트 전극을 갖는 모스 트랜지스터를 나타내는 사시도이다.9 is a perspective view illustrating a MOS transistor having a T-shaped gate electrode according to a preferred embodiment of the present invention.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 L자형 스페이서를 사용하여 중농도 불순물 영역을 형성하는 단계를 포함하는 모스 트랜지스터의 제조 방법을 제공한다. 이 방법은 반도체기판 상에 T자형으로 게이트 전극을 형성한 후, 상기 게이트 전극 양옆의 반도체기판에 저농도 불순물 영역을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 게이트 전극 측면에 배치되어, 상기 저농도 불순물 영역의 상부로 연장된 수평돌출부를 갖는 L자형의 하부 스페이서를 형성한다. 상기 L자형의 하부 스페이서 및 상기 게이트 패턴을 이온 주입 마스크로 사용하여, 고농도 불순물 영역 및 중농도 불순물 영역을 형성한다.In order to achieve the above technical problem, the present invention provides a method of manufacturing a MOS transistor comprising the step of forming a heavily doped impurity region using an L-shaped spacer. The method includes forming a gate electrode in a T-shape on a semiconductor substrate and then forming a low concentration impurity region in the semiconductor substrate on both sides of the gate electrode. It is disposed on the side of the gate electrode, to form an L-shaped lower spacer having a horizontal protrusion extending over the low concentration impurity region. The L-shaped lower spacer and the gate pattern are used as an ion implantation mask to form a high concentration impurity region and a medium concentration impurity region.
상기 T자형으로 게이트 전극을 형성하는 단계는 상기 반도체기판 상에 차례로 적층된 하부 도전막 패턴 및 상부 도전막 패턴을 형성한 후, 상기 하부 도전막패턴을 선택적으로 식각하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 하부 도전막 패턴 및 상기 상부 도전막 패턴은 서로 식각 선택비를 갖는 물질막인 것이 바람직하다. 예를 들자면, 상기 하부 도전막 패턴은 실리콘 게르마늄 또는 질화 티타늄으로 형성하고, 상기 상부 도전막 패턴은 다결정 실리콘 또는 텅스텐으로 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 하부 도전막 패턴을 선택적으로 식각하는 단계는 등방성 식각의 방법으로 실시하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 상기 상부 도전막 패턴의 가장자리의 하부에는 언더컷 영역이 형성된다Forming the T-shaped gate electrode may include forming a lower conductive layer pattern and an upper conductive layer pattern sequentially stacked on the semiconductor substrate, and then selectively etching the lower conductive layer pattern. . Accordingly, the lower conductive layer pattern and the upper conductive layer pattern may be material layers having etching selectivity with each other. For example, the lower conductive layer pattern may be formed of silicon germanium or titanium nitride, and the upper conductive layer pattern may be formed of polycrystalline silicon or tungsten. In addition, the step of selectively etching the lower conductive layer pattern is preferably performed by an isotropic etching method. Accordingly, an undercut region is formed under the edge of the upper conductive film pattern.
상기 L자형의 하부 스페이서를 형성하는 단계는 상기 T자형의 게이트 전극을 포함하는 반도체기판 전면에 하부, 중부 및 상부 절연막을 차례로 콘포말하게 형성하고, 이들 절연막들을 차례로 식각하여 L자형의 하부 및 중부 스페이서 그리고 상부 스페이서를 형성한 후, 상기 상부 및 중부 스페이서를 제거하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다. 이때, 적어도 상기 상부 스페이서는 상기 상부 절연막을 이방성 식각의 방법으로 식각함으로써 형성하는 것이 바람직하다.The forming of the L-shaped lower spacer may sequentially form lower, middle, and upper insulating films on the entire surface of the semiconductor substrate including the T-shaped gate electrode, and sequentially etch these insulating films to form the lower and middle L-shaped films. After forming the spacers and the upper spacers, it is preferable to include removing the upper and middle spacers. In this case, at least the upper spacer is preferably formed by etching the upper insulating film by an anisotropic etching method.
또한, 상기 하부 스페이서는 질화막, 산화질화막 또는 다결정 실리콘 중 한가지로 형성하고, 상기 중부 스페이서 및 상기 상부 스페이서는 각각 상기 하부 스페이서 및 상기 중부 스페이서에 대해 식각 선택비를 갖는 물질막으로 형성하는 것이 바람직하다.The lower spacer may be formed of one of a nitride film, an oxynitride film, and polycrystalline silicon, and the middle spacer and the upper spacer may be formed of a material film having an etching selectivity with respect to the lower spacer and the middle spacer, respectively. .
상기한 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 L자형 스페이서 및 중농도 불순물 영역을 포함하는 T자형 게이트 전극을 갖는 모스 트랜지스터를 제공한다. 이 모스 트랜지스터는 반도체기판 상에 T자형으로 배치된 게이트 전극, 상기게이트 전극 측면에 배치되어 상기 반도체기판 상부를 덮는 L자형의 하부 스페이서 그리고 상기 게이트 전극 양옆의 반도체기판에 형성된 저농도 불순물 영역, 중농도 불순물 영역 및 고농도 불순물 영역을 포함한다. 상기 고농도 불순물 영역은 상기 하부 스페이서 측면의 반도체기판에 배치되고, 상기 중농도 불순물 영역은 상기 고농도 불순물 영역 및 상기 저농도 불순물 영역 사이에 배치된다.In order to achieve the above technical problem, the present invention provides a MOS transistor having a T-shaped gate electrode including an L-shaped spacer and a heavily doped impurity region. The MOS transistor includes a gate electrode disposed in a T-shape on a semiconductor substrate, an L-shaped lower spacer disposed on a side of the gate electrode and covering the upper portion of the semiconductor substrate, and a low concentration impurity region and a medium concentration formed on the semiconductor substrates on both sides of the gate electrode. Impurity regions and high concentration impurity regions. The high concentration impurity region is disposed on the semiconductor substrate on the side of the lower spacer, and the medium concentration impurity region is disposed between the high concentration impurity region and the low concentration impurity region.
상기 게이트 전극은 차례로 적층된 하부 도전막 패턴 및 상부 도전막 패턴으로 구성될 수도 있다. 이때, 상기 상부 도전막 패턴은 상기 하부 도전막 패턴보다 넓은 폭을 가짐으로써 그 하부에 언더컷 영역을 구비하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 하부 스페이서는 상기 언더컷 영역을 채우는 수평 연장부를 더 구비할 수도 있다.The gate electrode may include a lower conductive layer pattern and an upper conductive layer pattern that are sequentially stacked. In this case, the upper conductive film pattern may have a wider width than the lower conductive film pattern, so that an undercut region is provided under the upper conductive film pattern. In addition, the lower spacer may further include a horizontal extension portion filling the undercut region.
상기 하부 도전막 패턴 및 상기 상부 도전막 패턴은 서로 식각 선택비를 갖는 물질막으로 구성하는 것이 바람직하다. 예를 들자면, 상기 하부 도전막 패턴은 실리콘 게르마늄 또는 질화 티타늄이고, 상기 상부 도전막 패턴은 다결정 실리콘 또는 텅스텐으로 구성되는 것이 바람직하다.The lower conductive layer pattern and the upper conductive layer pattern may be formed of a material layer having an etching selectivity with each other. For example, the lower conductive layer pattern may be silicon germanium or titanium nitride, and the upper conductive layer pattern may be made of polycrystalline silicon or tungsten.
상기 게이트 전극 및 상기 하부 스페이서 사이에는 표면 절연막이 개재될 수도 있다.A surface insulating film may be interposed between the gate electrode and the lower spacer.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 또한 층이 다른 층 또는 기판 상에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 층이 개재될 수도 있다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosure may be made thorough and complete, and to fully convey the spirit of the invention to those skilled in the art. In the drawings, the thicknesses of layers and regions are exaggerated for clarity. If it is also mentioned that the layer is on another layer or substrate it may be formed directly on the other layer or substrate or a third layer may be interposed therebetween.
도 3 내지 도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모스 트랜지스터의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도들이다.3 to 8 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a MOS transistor according to a preferred embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 반도체기판(100)의 소정영역에 활성영역을 한정하는 소자분리막 패턴(도시하지 않음)을 형성한다. 상기 활성영역 상에 게이트 산화막(110)을 형성한다. 상기 게이트 산화막(110)을 포함하는 반도체기판 전면에 게이트 도전막을 형성한다. 상기 게이트 산화막(110)이 노출될 때까지 상기 게이트 도전막을 패터닝하여, 상기 활성영역을 가로지르는 게이트 패턴(140)을 형성한다. 이때, 상기 게이트 패턴(140)은 T자형태로 형성되어 언더컷 영역을 갖도록 한다.Referring to FIG. 3, an isolation layer pattern (not shown) defining an active region is formed in a predetermined region of the semiconductor substrate 100. A gate oxide film 110 is formed on the active region. A gate conductive film is formed on the entire surface of the semiconductor substrate including the gate oxide film 110. The gate conductive layer is patterned until the gate oxide layer 110 is exposed to form a gate pattern 140 crossing the active region. In this case, the gate pattern 140 is formed in a T-shape to have an undercut region.
상기 게이트 산화막(110)은 상기 활성영역에 노출된 반도체기판(100)을 열산화시키는 방법으로 형성하는 것이 바람직하다. 상기 게이트 도전막은 상기 게이트 산화막(110)을 포함하는 반도체기판 전면에 차례로 적층된 하부 도전막 및 상부 도전막으로 형성하는 것이 바람직하다. 상기 언더컷 영역을 갖는 게이트 패턴(140)을 형성하기 위해, 상기 상부 및 하부 도전막을 패터닝하여 차례로 적층된 하부 도전막 패턴(120) 및 상부 도전막 패턴(130)을 형성한 후, 상기 하부 도전막 패턴(120)을 선택적으로 식각한다. 이때, 상기 언더컷 영역 형성을 위한 선택적 식각 공정은 등방성 식각의 방법으로 실시되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 언더컷 영역 형성을 위한 또다른 방법에는 상기 상부 도전막 패턴(130)까지 형성한 후, 등방성 식각의 방법으로 상기 하부 도전막을 식각하는 방법이 사용될 수도 있다. 이에 따라, 상기 상부 도전막 패턴(130)의 아래에는 상기 하부 도전막 패턴(120)의 측면이 식각된 언더컷 영역이 형성된다. 상기 상부 도전막 패턴(130) 및 상기 하부 도전막 패턴(120)은 상기 게이트 패턴(140)을 구성한다.The gate oxide film 110 may be formed by thermally oxidizing the semiconductor substrate 100 exposed to the active region. The gate conductive layer may be formed of a lower conductive layer and an upper conductive layer that are sequentially stacked on the entire surface of the semiconductor substrate including the gate oxide layer 110. In order to form the gate pattern 140 having the undercut region, the upper and lower conductive layers are patterned to form the lower conductive layer pattern 120 and the upper conductive layer pattern 130 which are sequentially stacked, and then the lower conductive layer is formed. The pattern 120 is selectively etched. In this case, the selective etching process for forming the undercut region is preferably performed by an isotropic etching method. In addition, another method for forming the undercut region may be a method of forming the upper conductive layer pattern 130 and then etching the lower conductive layer by isotropic etching. Accordingly, an undercut region in which side surfaces of the lower conductive layer pattern 120 are etched is formed below the upper conductive layer pattern 130. The upper conductive layer pattern 130 and the lower conductive layer pattern 120 constitute the gate pattern 140.
상기 게이트 패턴(140) 형성을 위한 식각 공정에서 상기 반도체기판(100)에 식각 손상이 발생하는 것을 최소화하기 위해, 상기 하부 도전막 패턴(120)과 상기 게이트 산화막(110)은 서로 식각 선택비를 갖는 물질막으로 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 언더컷 영역 형성을 위한 선택적 식각 공정에서 식각 손상이 발생하는 것을 최소화하기 위해, 상기 하부 도전막 패턴(120)은 상기 상부 도전막 패턴(130) 및 게이트 산화막(110)에 대해 식각 선택비를 갖는 물질막으로 형성한다.In order to minimize etching damage to the semiconductor substrate 100 in the etching process for forming the gate pattern 140, the lower conductive layer pattern 120 and the gate oxide layer 110 may have an etch selectivity with each other. It is preferable to form the material film which has. In addition, in order to minimize the occurrence of etching damage in the selective etching process for forming the undercut region, the lower conductive layer pattern 120 has an etch selectivity with respect to the upper conductive layer pattern 130 and the gate oxide layer 110. It is formed of a material film having
상기 물질막들(110, 120, 130) 사이의 식각 선택비를 고려할 경우, 상기 하부 도전막 패턴(120) 및 상기 상부 도전막 패턴(130)은 각각 실리콘 게르마늄(SiGe) 및 다결정 실리콘(Si)으로 형성하거나, 또는 각각 질화 티타늄(TiN) 및 텅스텐(W)으로 형성하는 것이 바람직하다.In consideration of the etching selectivity between the material layers 110, 120, and 130, the lower conductive layer pattern 120 and the upper conductive layer pattern 130 are formed of silicon germanium (SiGe) and polycrystalline silicon (Si), respectively. Or titanium nitride (TiN) and tungsten (W), respectively.
한편, 상기 게이트 패턴(140)은 위에서 설명한 것처럼, 하부 및 상부 도전막 패턴(120, 130)의 두개 층으로 구성되는 것이 아니라, 단층의 물질막으로 형성될 수도 있다. 이러한 게이트 패턴(140)은 여전히 도전성 물질막인 동시에, 상기 게이트 산화막(110)에 대해 식각 선택비를 갖는 물질막인 것이 바람직하다. 따라서, 이경우에는 상기 게이트 패턴(140)을 다결정 실리콘으로 형성하는 것이 바람직하다.As described above, the gate pattern 140 may not be formed of two layers of the lower and upper conductive layer patterns 120 and 130, but may be formed of a single material layer. The gate pattern 140 is still a conductive material film and preferably a material film having an etch selectivity with respect to the gate oxide film 110. Therefore, in this case, it is preferable to form the gate pattern 140 of polycrystalline silicon.
또한, 상기 언더컷 영역을 형성하기 위해, 상기 게이트 패턴(140) 형성을 위한 식각 공정은 상기 게이트 산화막(110)에 대해 식각 선택비를 갖는 건식 식각의 방법일 수도 있다. 이때, 상기 건식 식각에 사용되는 플라즈마 상태의 식각 가스는 상기 게이트 산화막(110)에서 난반사되면서, 상기 게이트 패턴(140)에 언더컷 영역을 형성한다.In addition, in order to form the undercut region, the etching process for forming the gate pattern 140 may be a dry etching method having an etching selectivity with respect to the gate oxide layer 110. In this case, the etching gas in the plasma state used for the dry etching is diffusely reflected from the gate oxide layer 110 to form an undercut region in the gate pattern 140.
도 4를 참조하면, 상기 게이트 패턴(140) 형성을 위한 식각 공정에서 발생하는 식각 손상을 치유하기 위해, 상기 게이트 패턴(140)을 포함하는 반도체기판을 열산화시킨다. 이에 따라, 상기 언더컷 영역이 형성된 게이트 패턴(140)의 노출된 표면에는 표면 절연막(150)이 콘포말하게 형성된다. 상기 표면 절연막(150)은 상기 게이트 패턴(140) 양쪽 옆에 노출된 상기 게이트 산화막(110)의 상부면에도 형성될 수 있다.Referring to FIG. 4, the semiconductor substrate including the gate pattern 140 is thermally oxidized in order to cure the etching damage occurring in the etching process for forming the gate pattern 140. Accordingly, the surface insulating layer 150 is conformally formed on the exposed surface of the gate pattern 140 on which the undercut region is formed. The surface insulating layer 150 may be formed on an upper surface of the gate oxide layer 110 exposed to both sides of the gate pattern 140.
상기 표면 절연막(150)을 포함하는 반도체기판에 대해, 상기 게이트 패턴(140)을 이온 주입 마스크로 사용하는 저농도 이온 주입 공정을 실시한다. 이에 따라, 상기 게이트 패턴(140) 양옆의 반도체기판(100)에는 저농도 불순물 영역(160)이 형성된다.A low concentration ion implantation process using the gate pattern 140 as an ion implantation mask is performed on the semiconductor substrate including the surface insulating layer 150. Accordingly, the low concentration impurity region 160 is formed in the semiconductor substrate 100 on both sides of the gate pattern 140.
상기 저농도 불순물 영역(160)은 상기 언더컷 영역의 아래에도 형성되는 것이 바람직하며, 이를 위해 상기 저농도 이온 주입 공정은 상기 반도체기판(100)에 대해 경사진 이온 주입 공정을 사용할 수도 있다. 상기 게이트 산화막(110) 및 상기 표면 절연막(150)은 상기 저농도 이온 주입 공정에서 이온 채널링 방지막으로 사용된다.The low concentration impurity region 160 may be formed under the undercut region. For this purpose, the low concentration ion implantation process may use an ion implantation process inclined to the semiconductor substrate 100. The gate oxide film 110 and the surface insulating film 150 are used as an ion channeling prevention film in the low concentration ion implantation process.
도 5를 참조하면, 상기 저농도 불순물 영역(160)을 포함하는 반도체기판 전면에 차례로 적층된 하부 절연막(170), 중부 절연막(180) 및 상부 절연막(190)을 콘포말하게 형성한다.Referring to FIG. 5, the lower insulating layer 170, the middle insulating layer 180, and the upper insulating layer 190 which are sequentially stacked on the entire surface of the semiconductor substrate including the low concentration impurity region 160 are conformally formed.
이에 따라, 상기 하부 절연막(170)은 상기 표면 절연막(150)의 전면을 덮는 동시에, 상기 표면 절연막(150)과 함께 상기 게이트 패턴(140)의 언더컷 영역을 채운다. 상기 언더컷 영역이 좁을 경우, 상기 표면 절연막(150)만으로 상기 언더컷 영역을 채울 수도 있다.Accordingly, the lower insulating film 170 covers the entire surface of the surface insulating film 150 and fills the undercut region of the gate pattern 140 together with the surface insulating film 150. When the undercut region is narrow, the undercut region may be filled only with the surface insulating layer 150.
이때, 상기 하부 절연막(170)은 상기 게이트 산화막(110) 및 상기 표면 절연막(150)에 대해, 즉 산화막에 대해 식각 선택비를 갖는 물질막인 것이 바람직하다. 또한, 상기 중부 절연막(180)은 상기 하부 절연막(170)에 대해 선택비를 갖는 물질막인 것이 바람직하고, 상기 상부 절연막(190)은 상기 중부 절연막(180)에 대해 식각 선택비를 갖는 물질막인 것이 바람직하다. 바람직하게는 상기 하부 절연막(170)은 질화막, 산화질화막 또는 다결정 실리콘 중 한가지로 형성하는 것이 바람직하고, 상기 중부 절연막(180) 및 상부 절연막(190)은 각각 산화막 및 질화막인 것이 바람직하다.In this case, the lower insulating film 170 may be a material film having an etch selectivity with respect to the gate oxide film 110 and the surface insulating film 150, that is, the oxide film. In addition, the middle insulating film 180 may be a material film having a selectivity with respect to the lower insulating film 170, and the upper insulating film 190 may have a material selectivity with an etch selectivity with respect to the middle insulating film 180. Is preferably. Preferably, the lower insulating film 170 may be formed of one of a nitride film, an oxynitride film, and polycrystalline silicon, and the middle insulating film 180 and the upper insulating film 190 may be an oxide film and a nitride film, respectively.
상기 중부 절연막(180)은 후속 공정에서 상기 상부 절연막(190)이 전부 제거될 때, 상기 하부 절연막(170)을 보호하기 위한 물질막이다. 따라서, 상기 상부 절연막(190)과 상기 하부 절연막(170)이 서로 선택비를 갖는 물질막일 경우에는, 상기 중부 절연막(180)을 형성하지 않을 수도 있다.The middle insulating layer 180 is a material layer for protecting the lower insulating layer 170 when all of the upper insulating layer 190 is removed in a subsequent process. Therefore, when the upper insulating film 190 and the lower insulating film 170 is a material film having a select ratio to each other, the middle insulating film 180 may not be formed.
도 6을 참조하면, 상기 표면 절연막(150)이 노출될때까지, 상기 상부, 중부및 하부 절연막(190, 180, 170)을 차례로 이방성 식각한다. 이에 따라, 상기 상부 절연막(190)은 통상적인 모양을 갖는 상부 스페이서(195)를 형성한다. 이에 반해, 상기 중부 및 상기 하부 절연막(180, 170)은 각각 L자형태를 갖는 중부 스페이서(185) 및 하부 스페이서(175)를 형성한다.Referring to FIG. 6, the upper, middle, and lower insulating layers 190, 180, and 170 are anisotropically etched in sequence until the surface insulating layer 150 is exposed. Accordingly, the upper insulating layer 190 forms an upper spacer 195 having a conventional shape. In contrast, the middle and lower insulating layers 180 and 170 form an L-shaped central spacer 185 and a lower spacer 175, respectively.
이때, L자형태를 갖는 상기 하부 스페이서(175) 및 상기 중부 스페이서(185)는 모두 상기 상부 스페이서(195)의 하부에 배치되는 수평 돌출부를 갖는다. 즉, 상기 중부 스페이서(185)는 상기 하부 스페이서(175)의 수평 돌출부 상에 배치되고, 상기 상부 스페이서(195)는 상기 중부 스페이서(185)의 수평 돌출부 상에 배치된다.In this case, both the lower spacer 175 and the middle spacer 185 having an L shape have horizontal protrusions disposed under the upper spacer 195. That is, the middle spacer 185 is disposed on the horizontal protrusion of the lower spacer 175, and the upper spacer 195 is disposed on the horizontal protrusion of the middle spacer 185.
상기 중부 및 하부 스페이서(185, 175)을 형성하기 위한 식각 공정은 등방성 식각의 방법이 사용될 수도 있다. 하지만, 적어도 상기 상부 스페이서(195) 형성을 위한 식각 공정은 이방성 식각의 방법으로 실시한다.As an etching process for forming the middle and lower spacers 185 and 175, an isotropic etching method may be used. However, at least the etching process for forming the upper spacers 195 is performed by an anisotropic etching method.
도 7을 참조하면, 상기 중부 스페이서(185) 및 상기 표면 절연막(150)에 대해 식각 선택비를 갖는 식각 레서피를 사용하여, 상기 상부 스페이서(195)를 제거한다. 이후, 상기 하부 스페이서(175) 및 상기 게이트 패턴(140)에 대해 식각 선택비를 갖는 식각 레서피를 사용하여, 상기 중부 스페이서(185)를 제거한다.Referring to FIG. 7, the upper spacer 195 is removed using an etch recipe having an etch selectivity with respect to the middle spacer 185 and the surface insulating layer 150. Thereafter, the middle spacer 185 is removed using an etch recipe having an etch selectivity with respect to the lower spacer 175 and the gate pattern 140.
상기 상부 스페이서(195) 및 상기 중부 스페이서(185)의 제거 공정은 등방성 식각의 방법으로 실시하는 것이 바람직하다. 상기 중부 스페이서(185)가 산화막인 경우, 마찬가지로 산화막인 상기 표면 절연막(150) 및 상기 게이트 산화막(110) 역시 상기 중부 스페이서(185)를 제거하는 공정에서 식각될 수 있다. 이에 따라, 상기한 등방성 식각의 방법은, 도시한 바와 같이, 상기 하부 스페이서(175)의 하부에 언더컷 영역을 형성하는 표면 절연막 패턴(155) 및 게이트 산화막 패턴(115)을 형성한다. 그 결과, 상기 게이트 패턴(140)의 상부면 및 상기 하부 스페이서(175) 옆쪽의 반도체기판(100)은 노출된다. 또한, 동일한 이유때문에, 상기 표면 절연막 패턴(155)은 상기 게이트 패턴(140)보다 낮은 상부면을 형성한다.Removing the upper spacers 195 and the middle spacers 185 is preferably performed by an isotropic etching method. When the middle spacer 185 is an oxide film, the surface insulating film 150 and the gate oxide film 110, which are similarly oxide films, may also be etched in a process of removing the middle spacer 185. Accordingly, in the isotropic etching method, the surface insulating layer pattern 155 and the gate oxide layer pattern 115 forming the undercut region are formed under the lower spacer 175 as shown. As a result, the upper surface of the gate pattern 140 and the semiconductor substrate 100 next to the lower spacer 175 are exposed. In addition, for the same reason, the surface insulating layer pattern 155 forms an upper surface lower than the gate pattern 140.
상기 중부 스페이서(185)가 제거된 결과물에 대해, 상기 게이트 패턴(140) 및 상기 하부 스페이서(175)를 이온 주입 마스크로 사용하는 고농도 이온 주입 공정을 실시한다. 이에 따라, 상기 하부 스페이서(175) 옆쪽의 반도체기판(100)에는 고농도 불순물 영역(200)이 형성된다. 이때, 상기 하부 스페이서(175)의 수평 돌출부는 상기 고농도 이온 주입 공정에서 주입되는 이온들의 에너지를 감소시키는 역할을 한다. 이에 따라, 상기 하부 스페이서(175)의 수평 돌출부 아래에는 상기 고농도 불순물 영역(200)의 불순물 농도보다 낮은 농도의 불순물 영역, 즉 중농도 불순물 영역(205)이 형성된다.A high concentration ion implantation process using the gate pattern 140 and the lower spacer 175 as an ion implantation mask is performed on the resultant from which the middle spacer 185 is removed. Accordingly, a high concentration impurity region 200 is formed in the semiconductor substrate 100 next to the lower spacer 175. At this time, the horizontal protrusion of the lower spacer 175 serves to reduce the energy of ions implanted in the high concentration ion implantation process. Accordingly, an impurity region having a concentration lower than that of the high concentration impurity region 200, that is, a medium impurity region 205 is formed under the horizontal protrusion of the lower spacer 175.
이러한 중농도 불순물 영역(205)의 불순물 농도는 상기 하부 스페이서(175)의 수평 돌출부의 두께, 즉 상기 하부 절연막(170)의 두께에 의해 결정된다. 따라서, 상기 하부 절연막(170)의 두께는 상기 중농도 불순물 영역(205)에 형성하기를 원하는 불순물 농도를 고려하여 형성한다.The impurity concentration of the heavy impurity region 205 is determined by the thickness of the horizontal protrusion of the lower spacer 175, that is, the thickness of the lower insulating layer 170. Therefore, the thickness of the lower insulating layer 170 is formed in consideration of the impurity concentration desired to be formed in the medium concentration impurity region 205.
또한, 상기 고농도 불순물 영역(200)과 상기 게이트 패턴(140) 사이의 간격은 상기 하부 스페이서(175)의 수평 돌출부의 길이에 의해 결정된다. 한편, 상기 하부 스페이서(175)의 수평돌출부의 길이는 상기 중부 절연막(180) 및 상기 상부절연막(190)의 두께에 의해 결정된다.In addition, the distance between the high concentration impurity region 200 and the gate pattern 140 is determined by the length of the horizontal protrusion of the lower spacer 175. The length of the horizontal protrusion of the lower spacer 175 is determined by the thickness of the middle insulating layer 180 and the upper insulating layer 190.
그런데, 상기 상부 스페이서(195) 및 상기 하부 스페이서(175)를 동일한 물질막으로 형성할 경우, 등방성 식각의 방법이 사용되는 상기 상부 스페이서(195) 제거 공정동안 상기 하부 스페이서(175)의 수평돌출부의 측벽 역시 식각된다. 따라서, 상기 상부 스페이서(195) 제거 공정동안 상기 하부 스페이서(175)의 수평돌출부가 리세스되는 길이를 고려하여, 상기 중부 및 상부 절연막(180, 190)의 적층 두께를 결정하는 것이 바람직하다.However, when the upper spacers 195 and the lower spacers 175 are formed of the same material film, the horizontal protrusions of the lower spacers 175 are removed during the process of removing the upper spacers 195 using an isotropic etching method. Sidewalls are also etched. Accordingly, the thickness of the middle and upper insulating layers 180 and 190 may be determined in consideration of the length of the horizontal protrusions of the lower spacers 175 recessed during the removal of the upper spacers 195.
도 8을 참조하면, 통상적인 실리사이드 형성 공정을 실시하여, 노출된 상기 고농도 불순물 영역(200) 및 상기 게이트 패턴(140)의 상부면에 각각 접합영역 실리사이드(210) 및 게이트 실리사이드(215)를 형성한다.Referring to FIG. 8, a conventional silicide forming process may be performed to form junction region silicide 210 and gate silicide 215 on upper surfaces of the exposed high concentration impurity region 200 and the gate pattern 140, respectively. do.
상기 접합영역 실리사이드(210) 및 상기 게이트 실리사이드(215)는 코발트 실리사이드, 니켈 실리사이드 또는 텅스텐 실리사이드 중의 한가지인 것이 바람직하다. 또한, 상기한 바와 같이, 상기 표면 절연막 패턴(155)은 상기 게이트 패턴(140)보다 낮은 상부면을 갖기 때문에, 상기 실리사이드 형성 공정은 상기 게이트 패턴(140) 상부에서 더 넓은 반응 면적을 확보한다. 그 결과, 상기 게이트 실리사이드(215)는 상기 게이트 패턴(140)의 미세화에 따른 끊어짐 등의 현상을 유발하지 않고 안정적으로 형성될 수 있다.The junction region silicide 210 and the gate silicide 215 may be one of cobalt silicide, nickel silicide, or tungsten silicide. In addition, as described above, since the surface insulating layer pattern 155 has a lower top surface than the gate pattern 140, the silicide forming process ensures a wider reaction area on the gate pattern 140. As a result, the gate silicide 215 may be stably formed without causing a phenomenon such as breaking due to miniaturization of the gate pattern 140.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모스 트랜지스터를 설명하기 위한 사시도이다.9 is a perspective view illustrating a MOS transistor according to a preferred embodiment of the present invention.
도 9를 참조하면, 반도체기판(100)의 소정영역에 활성영역을 한정하는 소자분리막 패턴(500)이 배치된다. 상기 활성영역의 소정영역 상부에는 게이트 산화막 패턴(115)이 배치된다.Referring to FIG. 9, an isolation layer pattern 500 defining an active region is disposed in a predetermined region of the semiconductor substrate 100. The gate oxide pattern 115 is disposed on the predetermined region of the active region.
상기 게이트 산화막 패턴(115) 상에는 언더컷 영역을 갖는 T자 형태의 게이트 패턴(140)이 상기 소자분리막 패턴(500)을 가로지르면서 배치된다. 상기 게이트 패턴(140)의 상부에는 게이트 실리사이드(215)가 더 배치될 수도 있다.A T-shaped gate pattern 140 having an undercut region is disposed on the gate oxide layer pattern 115 while crossing the device isolation layer pattern 500. A gate silicide 215 may be further disposed on the gate pattern 140.
상기 게이트 패턴(140)의 측면에는 상기 게이트 산화막 패턴(115)의 상부로 연장된 수평 돌출부를 가지는 하부 스페이서(175)가 배치된다. 상기 하부 스페이서(175)와 상기 게이트 패턴(140) 및 상기 하부 스페이서(175)와 상기 게이트 산화막 패턴(115) 사이에는 표면 절연막 패턴(155)이 개재된다. 특히, 상기 표면 절연막 패턴(155)은 상기 하부 스페이서(175)와 함께 상기 게이트 패턴(140)의 언더컷 영역을 채운다. 이를 위해 상기 하부 스페이서(175)는 상기 언더컷 영역으로 연장된 수평 연장부를 더 가질 수도 있다.A lower spacer 175 having a horizontal protrusion extending above the gate oxide layer pattern 115 is disposed on a side surface of the gate pattern 140. A surface insulating layer pattern 155 is interposed between the lower spacer 175 and the gate pattern 140, and between the lower spacer 175 and the gate oxide layer pattern 115. In particular, the surface insulating layer pattern 155 fills the undercut region of the gate pattern 140 together with the lower spacers 175. To this end, the lower spacer 175 may further have a horizontal extension extending to the undercut area.
상기 하부 스페이서(175) 옆쪽의 반도체기판(100)에는, 상기 게이트 패턴(140)과 이격되는 고농도 불순물 영역(200)이 배치된다. 상기 고농도 불순물 영역(200)의 상부에는 접합 영역 실리사이드(210)가 배치될 수도 있다.A high concentration impurity region 200 spaced apart from the gate pattern 140 is disposed on the semiconductor substrate 100 next to the lower spacer 175. The junction region silicide 210 may be disposed on the high concentration impurity region 200.
상기 게이트 패턴(140)의 언더컷 영역 하부의 반도체기판(100)에는 저농도 불순물 영역(160)이 배치된다. 또한, 상기 하부 스페이서(175)의 수평돌출부 아래의 반도체기판(100)에는 중농도 불순물 영역(205)이 배치된다. 즉, 상기 중농도 불순물 영역(205)은 상기 고농도 및 저농도 불순물 영역(200, 160) 사이에 배치된다.The low concentration impurity region 160 is disposed in the semiconductor substrate 100 under the undercut region of the gate pattern 140. In addition, a heavy impurity region 205 is disposed in the semiconductor substrate 100 under the horizontal protrusion of the lower spacer 175. That is, the medium concentration impurity region 205 is disposed between the high concentration and low concentration impurity regions 200 and 160.
본 발명에 따르면, T자형 게이트 전극의 측면에 형성된 L자형의 스페이서를 사용하여, 고농도 및 저농도 불순물 영역의 사이에 중농도 불순물 영역을 형성한다. 이에 따라, T자형 게이트 전극을 갖는 트랜지스터의 장점, 즉, 정전용량의 감소, 채널 길이의 미세화 및 게이트 단면적의 증가 등과 중농도 불순물 영역이 갖는 장점, 즉 소오스/드레인 저항(Rsd)의 감소를 동시에 달성할 수 있다.According to the present invention, a medium impurity region is formed between a high concentration and a low concentration impurity region by using an L-shaped spacer formed on the side surface of the T-shaped gate electrode. Accordingly, the advantages of a transistor having a T-shaped gate electrode, that is, a decrease in capacitance, a decrease in channel length, an increase in gate cross-sectional area, and an advantage of a heavily doped impurity region, that is, a decrease in source / drain resistance R sd Can be achieved at the same time.
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